大型离心风机流固耦合及叶轮振动特性分析.pdf

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密级: 公开
学号: 102020005

江苏科技大学硕士学位论文


大型离心风机流固耦合及
叶轮振动特性分析




学生姓名朱凤梅
指导教师李钦奉教授



江苏科技大学
二 0 一三年六月
A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Engineering


The Analysis of Fluid-Structure Interaction of the Large Centrifugal
Fan and the Vibration Characteristics of the Impeller




Submitted by

Zhu Fengmei

Supervised by

Professor Li Qinfeng






Jiangsu University of Science and Technology

June, 2013
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年月日
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年月日年月日
摘要
摘要
叶轮机械是工业生产部门应用最为广泛的一类机械设备,其在航空、航天、石油、
化工、能源、电力及国防等领域中发挥着无可替代的作用。而叶轮机械的各种故障,
如喘振、失速、叶片断裂等,与叶轮机械内部各种流固耦合现象有着直接的关系。目
前,仅考虑单一物理场的数值模拟已很难满足叶轮机械在结构性与可靠性等方面的要
求。因此,需要对叶轮机械内部的流固耦合(FSI)问题进行研究。而对叶轮机械的内流
场和叶轮动力特性的研究,对相关设备的设计和运行具有一定的指导意义。
首先,本文采用 CAD 软件 PRO/E 对大型离心风机进行了整体风机三维流场建模,
整体风机流场模型由集流器、叶轮和蜗壳三部分组成,然后在专门的网格划分软件
Gambit 中对整体风机三维流场模型进行网格划分并设置边界条件。
其次,采用标准的 k 湍流模型,在 ANSYS Workbench 中以 FLUENT 软件为工
具,对离心风机内部的三维湍流流动进行了数值模拟分析与计算。分析了离心风机旋
转对流速及压力分布的影响,研究了离心风机内部流动规律。
再次,通过建立 ANSYS Workbench 不同分析项目间的连接,可以将流场分析计
算所得叶轮壁面的流体压力加载至叶轮模型表面,获得叶轮在流体压力下的受力状态,
然后对叶轮进行强度分析,并与叶轮在离心力作用、离心力与重力共同作用及流固耦
合作用下分析结果进行比较,得到叶轮在不同载荷作用下的应力及变形,校核叶轮的
强度和刚度,避免叶轮的疲劳破坏。
最后,通过对叶轮进行实际约束状态下的模态分析,得到离心风机叶轮在自由状
态及有预应力作用下的固有频率和振型,分析其结构刚度和动态特性并发现薄弱环节,
避免共振的发生。

关键词叶轮机械;离心风机;叶轮;数值模拟;流固耦合;模态分析。






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江苏科技大学工学硕士学位论文























- II -
Abstract
Abstract
Turbo-machinery is widely used in industr